Pour créer de grands réseaux quantiques, les chercheurs devront d'abord développer des répéteurs quantiques efficaces. Un élément clé de ces répéteurs sont les mémoires quantiques, qui sont les équivalents en mécanique quantique de mémoires informatiques plus conventionnelles, telles que les mémoires vives (RAM).

Idéalement, une mémoire quantique doit être capable de conserver des informations pendant de longues périodes, stocker de vrais états quantiques, lire les données efficacement et fonctionner à des longueurs d'onde de télécommunication à faible perte. Alors que les équipes de recherche ont fait de grands progrès dans le développement des mémoires quantiques, aucune solution proposée jusqu'à présent n'a pu répondre à toutes ces exigences simultanément.

Avec ça en tête, des chercheurs de l'Université de technologie de Delft (TU Delft) ont entrepris de développer une nouvelle mémoire quantique mécanique avec des temps de stockage suffisamment longs, une haute efficacité de lecture, et la capacité de fonctionner aux longueurs d'onde des télécommunications. La mémoire qu'ils ont inventée, présenté dans un article publié dans Physique de la nature , pourraient à terme permettre la mise en œuvre pratique de systèmes mécaniques à effets quantiques développés dans leurs travaux antérieurs.

« Nous travaillons depuis quelques années à montrer les effets quantiques des systèmes mécaniques, et ont réussi à réaliser divers états quantiques, donc nous les avons vraiment poussés vers une direction de traitement de l'information quantique, " Simon Gröblacher, professeur à la TU Delft, dont le groupe de recherche a réalisé l'étude, dit Phys.org. "Pour utiliser certains de ces appareils pour le traitement de l'information quantique, cependant, un poing doit montrer qu'ils peuvent être utilisés pour construire un répéteur quantique et le composant principal d'un répéteur quantique est une mémoire quantique."

Quand ils ont commencé à travailler sur leur mémoire quantique, Gröblacher et ses collègues savaient que les résonateurs mécaniques derrière certains de leurs appareils pouvaient supporter des durées de vie très longues. Ils ont donc voulu les tester pour voir quels temps de stockage ils pouvaient supporter, tout en étudiant leur cohérence (c'est-à-dire à quelle vitesse ils se déphaseraient).

"Nous avons conçu un système qui a une durée de vie de quelques millisecondes, sur la base de nos précédents travaux, puis l'a testé et a constaté que son temps de stockage était en effet d'environ deux millisecondes., " dit Gröblacher. " Dans un deuxième temps, nous devions vérifier que les états quantiques et leurs informations de phase étaient conservés pendant ce temps. Pour faire ça, nous avons créé une superposition du système mécanique et regardé comment la phase de la superposition évoluerait au fil du temps. »

Lorsque les chercheurs ont évalué pour la première fois leur mémoire quantique, ils ont constaté que son état de superposition décroissait plus rapidement que la durée de vie globale. C'était loin d'être un résultat surprenant, comme de nombreux systèmes développés précédemment se sont avérés présenter le même schéma de désintégration. Gröblacher et ses collègues ont entrepris d'approfondir cette découverte afin de mieux comprendre les mécanismes derrière ce court temps de décohérence.

"L'objectif général de notre étude était de montrer que la mécanique peut en fait être utilisée comme une mémoire quantique et nous y sommes parvenus, " dit Gröblacher. " Remarquablement, c'est la première fois que quelqu'un le montre."

La mémoire quantique conçue par Gröblacher et ses collègues présente plusieurs caractéristiques avantageuses. L'un des principaux est qu'il est entièrement ingénieur, ce qui signifie que les longueurs d'onde optiques auxquelles il fonctionne sont sélectionnables, car les résonances optiques et mécaniques du système sont totalement artificielles. Les chercheurs les ont conçus à l'aide d'un ordinateur, puis ont fabriqué l'appareil en conséquence.

"De nombreux systèmes quantiques utilisent généralement la résonance naturelle, comme une résonance atomique ou de terre rare, qui les liaient à certaines longueurs d'onde, " dit Gröblacher. " Le nôtre, d'autre part, est entièrement conçu, afin que nous puissions choisir où le travailler. Dans notre étude, nous avons choisi 1550 nanomètres, car nous voulions que notre système fonctionne dans la bande de longueur d'onde des télécommunications à faible perte."

Alors que de nombreuses mémoires quantiques développées précédemment ont obtenu des résultats prometteurs, très peu d'entre eux étaient capables de fonctionner aux longueurs d'onde télécom (environ 1550 nanomètres), qui sont essentiellement les longueurs d'onde auxquelles toutes les télécommunications ont lieu sur de longues distances. De plus, les mémoires capables de fonctionner à ces longueurs d'onde étaient soit très complexes, soit avaient des durées de vie extrêmement courtes.

"Nous avons pu montrer que notre mémoire a une durée de vie satisfaisante et une cohérence de la mémoire, tout en réussissant à créer l'état de superposition, " a déclaré Gröblacher. " D'autres systèmes existants avec des états de superposition de la mécanique étaient très différents et nous avons été les premiers à répondre aux exigences clés de la mémoire quantique avec un système opto-mécanique. "

La mémoire quantique créée par Gröblacher et ses collègues est toujours une preuve de concept, mais ses performances sont très prometteuses. Dans leurs futures études, les chercheurs aimeraient mieux comprendre pourquoi le déphasage d'un état quantique se produit plus rapidement que sa durée de vie afin d'atténuer cet effet.

"Nous aimerions trouver comment éviter d'avoir une cohérence aussi courte, peut-être grâce à une conception différente qui pourrait nous aider à comprendre les mécanismes microscopiques sous-jacents, " dit Gröblacher. " De plus, nous prévoyons d'augmenter l'efficacité globale de notre mémoire (c'est-à-dire, avec quelle efficacité peut-il écrire et lire un état)."

Au cours des deux prochaines années, Gröblacher et ses collègues espèrent pouvoir encore améliorer les performances de leur mémoire quantique pour faciliter sa mise en œuvre pratique. De plus, le schéma optique qu'ils ont proposé pourrait inspirer le développement d'autres composants de mémoire quantique. L'objectif ultime des chercheurs est d'utiliser la mémoire quantique qu'ils ont créée pour permettre de grands réseaux quantiques.

"L'application principale de notre mémoire serait dans le cadre d'un réseau quantique ou d'un répéteur quantique, " a déclaré Gröblacher. " Sa mécanique pourrait agir comme un élément de mémoire qui permet des connexions avec d'autres systèmes quantiques, tels que les qubits supraconducteurs, qui sont très bons pour effectuer des traitements informatiques quantiques. Nous pensons qu'il serait très intéressant d'utiliser notre système comme un système quantique hybride dans un tel réseau."

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